Linux - 进程控制

1、进程创建

1.1、fork函数初识

在linux中fork函数时非常重要的函数，它从已存在进程中创建一个新进程。新进程为子进程，而原进程为父进程；

#include <unistd.h>
pid_t fork(void);
返回值：自进程中返回0，父进程返回子进程id，出错返回-1

进程调用fork，当控制转移到内核中的fork代码后，内核做：

分配新的内存块和内核数据结构给子进程
将父进程部分数据结构内容拷贝至子进程
添加子进程到系统进程列表当中
fork返回，开始调度器调度

当一个进程调用fork之后，就有两个二进制代码相同的进程。而且它们都运行到相同的地方。但每个进程都将可以开始它们自己的旅程，看如下程序；

int main( void )
{pid_t pid;printf("Before: pid is %d\n", getpid());if ( (pid=fork()) == -1 )perror("fork()"),exit(1);printf("After:pid is %d, fork return %d\n", getpid(), pid);sleep(1);return 0;
} 运行结果：
[root@localhost linux]# ./a.out
Before: pid is 43676
After:pid is 43676, fork return 43677
After:pid is 43677, fork return 0

这里看到了三行输出，一行before，两行after。进程43676先打印before消息，然后它有打印after。另一个after 消息有43677打印的。注意到进程43677没有打印before，为什么呢？如下图所示；

所以，fork之前父进程独立执行，fork之后，父子两个执行流分别执行。注意，fork之后，谁先执行完全由调度器决定；

1.2、fork函数返回值

子进程返回0；
父进程返回的是子进程的pid；

1.3、写时拷贝

通常，父子代码共享，父子再不写入时，数据也是共享的，当任意一方试图写入，便以写时拷贝的方式各自一份副本，具体见下图:

1.4、fork常规用法

一个父进程希望复制自己，使父子进程同时执行不同的代码段。例如，父进程等待客户端请求，生成子进程来处理请求；
一个进程要执行一个不同的程序。例如子进程从fork返回后，调用exec函数；

1.5、fork调用失败的原因

系统中有太多的进程
实际用户的进程数超过了限制

2、进程终止

2.1、进程退出场景

代码运行完毕，结果正确；
代码运行完毕，结果不正确；
代码异常终止；

2.2、进程常见退出方法

正常终止（可以通过 echo $? 查看进程退出码）：

从main返回
调用exit
_exit

异常退出：

ctrl + c，信号终止

2.3、_exit函数

#include <unistd.h>
void _exit(int status);
参数：status 定义了进程的终止状态，父进程通过wait来获取该值

说明：虽然status是int，但是仅有低8位可以被父进程所用。所以_exit(-1)时，在终端执行$?发现返回值是255；

2.4、exit函数

#include <unistd.h>
void exit(int status);

exit最后也会调用_exit, 但在调用_exit之前，还做了其他工作：

执行用户通过 atexit或on_exit定义的清理函数；
关闭所有打开的流，所有的缓存数据均被写入；
调用_exit；

int main()
{printf("hello");exit(0);
}运行结果:
[root@localhost linux]# ./a.out
helloint main()
{printf("hello");_exit(0);
}
运行结果:
[root@localhost linux]# ./a.out
[root@localhost linux]#

2.5、return退出

return是一种更常见的退出进程方法。执行return n等同于执行exit(n),因为调用main的运行时函数会将main的返回值当做 exit 的参数；

3、进程等待

3.1、进程等待必要性

之前讲过，子进程退出，父进程如果不管不顾，就可能造成‘僵尸进程’的问题，进而造成内存泄漏。另外，进程一旦变成僵尸状态，那么刀枪不入，“杀人不眨眼”的kill -9 也无能为力，因为谁也没有办法杀死一个已经死去的进程；
最后，父进程派给子进程的任务完成的如何，我们需要知道。如，子进程运行完成，结果对还是不对，或者是否正常退出；
父进程通过进程等待的方式，回收子进程资源，获取子进程退出信息；

3.2、进程等待的方法

3.2.1、wait方法

#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>pid_t wait(int*status);返回值：成功返回被等待进程pid，失败返回-1。
参数：输出型参数，获取子进程退出状态,不关心则可以设置成为NULL

3.2.2、waitpid方法

pid_ t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);
返回值：当正常返回的时候waitpid返回收集到的子进程的进程ID；    如果设置了选项WNOHANG,而调用中waitpid发现没有已退出的子进程可收集,则返回0；如果调用中出错,则返回-1,这时errno会被设置成相应的值以指示错误所在；
参数：pid：Pid=-1,等待任一个子进程。与wait等效。Pid>0.等待其进程ID与pid相等的子进程。status:WIFEXITED(status): 若为正常终止子进程返回的状态，则为真。（查看进程是否是正常退出）WEXITSTATUS(status): 若WIFEXITED非零，提取子进程退出码。（查看进程的退出码）options:WNOHANG: 若pid指定的子进程没有结束，则waitpid()函数返回0，不予以等待。若正常结束，则返回该子进程的ID。

如果子进程已经退出，调用wait/waitpid时，wait/waitpid会立即返回，并且释放资源，获得子进程退出信息；
如果在任意时刻调用wait/waitpid，子进程存在且正常运行，则进程可能阻塞；
如果不存在该子进程，则立即出错返回；

3.3、获取子进程status

wait和waitpid，都有一个status参数，该参数是一个输出型参数，由操作系统填充；
如果传递NULL，表示不关心子进程的退出状态信息；
否则，操作系统会根据该参数，将子进程的退出信息反馈给父进程；
status不能简单的当作整形来看待，可以当作位图来看待，具体细节如下图（只研究status低16比特位）：

测试代码：
#include <sys/wait.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
int main( void )
{pid_t pid;if ( (pid=fork()) == -1 )perror("fork"),exit(1);if ( pid == 0 ){sleep(20);exit(10);} else{int st;int ret = wait(&st);if ( ret > 0 && ( st & 0X7F ) == 0 ){ // 正常退出printf("child exit code:%d\n", (st>>8)&0XFF);}else if( ret > 0 ) { // 异常退出printf("sig code : %d\n", st&0X7F );}}
}
测试结果：
[root@localhost linux]# ./a.out #等20秒退出
child exit code:10 
[root@localhost linux]# ./a.out #在其他终端kill掉
sig code : 9

3.4、具体代码实现

进程的阻塞等待方式：

int main()
{pid_t pid;pid = fork();if(pid < 0){printf("%s fork error\n",__FUNCTION__);return 1;} else if( pid == 0 ){//childprintf("child is run, pid is : %d\n",getpid());sleep(5);exit(257);}else{int status = 0;pid_t ret = waitpid(-1, &status, 0);//阻塞式等待，等待5Sprintf("this is test for wait\n");if( WIFEXITED(status) && ret == pid ){printf("wait child 5s success, child return code is :%d.\n",WEXITSTATUS(status));}else{printf("wait child failed, return.\n");return 1;}}return 0;
}
运行结果:
[root@localhost linux]# ./a.out
child is run, pid is : 45110
this is test for wait
wait child 5s success, child return code is :1.

进程的非阻塞等待方式：

#include <stdio.h> 
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{pid_t pid;pid = fork();if(pid < 0){printf("%s fork error\n",__FUNCTION__);return 1;}else if( pid == 0 ){ //childprintf("child is run, pid is : %d\n",getpid());sleep(5);exit(1);}else{int status = 0;pid_t ret = 0;do{ret = waitpid(-1, &status, WNOHANG);//非阻塞式等待if( ret == 0 ){printf("child is running\n");}sleep(1);}while(ret == 0);if( WIFEXITED(status) && ret == pid ){printf("wait child 5s success, child return code is :%d.\n",WEXITSTATUS(status));}else{printf("wait child failed, return.\n");return 1;}}    return 0;
}

4、进程程序替换

4.1、替换原理

用fork创建子进程后执行的是和父进程相同的程序(但有可能执行不同的代码分支),子进程往往要调用一种exec函数以执行另一个程序。当进程调用一种exec函数时,该进程的用户空间代码和数据完全被新程序替换,从新程序的启动例程开始执行。调用exec并不创建新进程,所以调用exec前后该进程的id并未改变；

4.2、函数替换

其实有六种以exec开头的函数,统称exec函数:

#include <unistd.h>`
int execl(const char *path, const char *arg, ...);
int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
int execle(const char *path, const char *arg, ...,char *const envp[]);
int execv(const char *path, char *const argv[]);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);

int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);

4.3、函数解释

这些函数如果调用成功则加载新的程序从启动代码开始执行,不再返回；
如果调用出错则返回-1；
所以exec函数只有出错的返回值而没有成功的返回值；

4.4、命名理解

这些函数原型看起来很容易混,但只要掌握了规律就很好记；

l(list) : 表示参数采用列表
v(vector) : 参数用数组
p(path) : 有p自动搜索环境变量PATH
e(env) : 表示自己维护环境变量

函数名	参数格式	是否带路径	是否使用当前环境变化
execl	列表	不是	是
execlp	列表	是	是
execle	列表	不是	不是，须自己组装环境变量
execv	数组	不是	是
execvp	数组	是	是
execve	数组	不是	不是，须自己组装环境变量

exec调用举例如下:

#include <unistd.h>
int main()
{char *const argv[] = {"ps", "-ef", NULL};char *const envp[] = {"PATH=/bin:/usr/bin", "TERM=console", NULL};execl("/bin/ps", "ps", "-ef", NULL);// 带p的，可以使用环境变量PATH，无需写全路径execlp("ps", "ps", "-ef", NULL);// 带e的，需要自己组装环境变量execle("ps", "ps", "-ef", NULL, envp);execv("/bin/ps", argv);// 带p的，可以使用环境变量PATH，无需写全路径execvp("ps", argv);// 带e的，需要自己组装环境变量execve("/bin/ps", argv, envp);exit(0);
}

事实上,只有execve是真正的系统调用,其它五个函数最终都调用 execve,所以execve在man手册第2节,其它函数在 man手册第3节。这些函数之间的关系如下图所示；

下图exec函数族一个完整的例子:

5、做一个简易的shell

考虑下面这个与shell典型的互动：

[root@localhost epoll]# ls
client.cpp readme.md server.cpp utility.h
[root@localhost epoll]# psPID TTY TIME CMD3451 pts/0 00:00:00 bash3514 pts/0 00:00:00 ps

用下图的时间轴来表示事件的发生次序。其中时间从左向右。shell由标识为sh的方块代表，它随着时间的流逝从左向右移动。shell从用户读入字符串"ls"。shell建立一个新的进程，然后在那个进程中运行ls程序并等待那个进程结束；

然后shell读取新的一行输入，建立一个新的进程，在这个进程中运行程序并等待这个进程结束。所以要写一个shell，需要循环以下过程:

获取命令行
解析命令行
建立一个子进程（fork）
替换子进程（execvp）
父进程等待子进程退出（wait）

根据这些思路，和我们前面的学的技术，就可以自己来实现一个shell了；

实现代码:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#define MAX_CMD 1024
char command[MAX_CMD];
int do_face()
{memset(command, 0x00, MAX_CMD);printf("minishell$ ");fflush(stdout);if (scanf("%[^\n]%*c", command) == 0) {getchar();return -1; } return 0;
}char **do_parse(char *buff)
{int argc = 0;static char *argv[32];char *ptr = buff;while(*ptr != '\0') {if (!isspace(*ptr)) {argv[argc++] = ptr;while((!isspace(*ptr)) && (*ptr) != '\0'){ptr++;}}else {while(isspace(*ptr)) {*ptr = '\0';ptr++;}}}argv[argc] = NULL;return argv;
}int do_exec(char *buff)
{char **argv = {NULL};int pid = fork();if (pid == 0) {argv = do_parse(buff);if (argv[0] == NULL) {exit(-1);}execvp(argv[0], argv);}else{waitpid(pid, NULL, 0);}return 0;
}int main(int argc, char *argv[])
{while(1) {if (do_face() < 0)continue;do_exec(command);}return 0;
}